半導體材料與工藝：三大晶圓廠競逐新型晶體管

英特爾(Intel)、三星(Samsung)和臺積電(TSMC)正競相實現(xiàn)晶體管技術的代際跨越。為了實現(xiàn)任何接近元宇宙背后的想法所要求的計算需求，為了產(chǎn)生不是笑話的人工智能，為了制造真正的自動駕駛汽車，甚至為了讓應用程序加載更快，必須實現(xiàn)這一飛躍。

這種新一代設計被稱為“gate-all-around（GAA）”。使用新的材料，重新設計的制造工具，每一個都要花費數(shù)千萬美元，新的gate完成了一件事:它們更嚴格地控制每個晶體管接收的電流?，F(xiàn)代芯片在一個設備上可以有超過300億個晶體管，在某些情況下甚至可以達到數(shù)百億個。Gartner預計，到2025年，芯片制造商將從這項新技術中獲得約50億美元的收入，而去年這一數(shù)字為零。

芯片公司必須每年提供更多的計算能力，才能實現(xiàn)科技巨頭們所承諾的未來。要做到這一點，需要使用地球上最復雜、最昂貴的制造設備，還需要開發(fā)更有創(chuàng)意的方法來改善芯片結構的基本方面。這意味著將原子大小的特征變得更小。這個過程大致被稱為摩爾定律(Moore 's law)，它讓芯片行業(yè)蓬勃發(fā)展了半個世紀，但現(xiàn)在變得越來越難。

應用材料副總裁Kevin Moraes說:“我們的收縮速度肯定在大幅放緩?！?/span>

芯片制造商通過結合先進的工具來提高大批量生產(chǎn)和性能，比如極紫外光刻機和幫助在每塊硅上擠壓更多特性的技術。通常情況下，制造商將技術和技術的改進作為使用越來越小的納米數(shù)的過程節(jié)點。

但另一種解決日益困難的問題的方法是進一步完善每個芯片的基本組成部分：晶體管。

“制程節(jié)點只是衡量進展的一個指標，”J.Gold Associates首席分析師杰克戈爾德(Jack Gold)表示。“我認為更重要的是晶體管本身的設計，而不僅僅是過程節(jié)點。為此，英特爾和其他公司一直在推進晶體管的設計，尤其是gate的設計方式?！?/strong>

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“gate”是每個晶體管上控制晶體管是否接收電力的微小部分——有點像用腳踩在花園水管上打開或關閉水——以表示組成數(shù)據(jù)位的0和1。但是，gate就像軟管一樣，可能是不完美的，即使采用最先進的設計，也會有一些電流漏電。

FeibusTech分析師Mike Feibus說:“當你開始把東西做得更小的時候，你會發(fā)現(xiàn)小元件的一些電氣特性不如大元件時的性能好?！薄坝幸粋€經(jīng)驗法則，你的體積越小，電流泄漏越多，這就意味著更多的熱量?！?/span>

因為芯片制造商知道一些電能會逃避gate，繼續(xù)縮小功能以達到新設計預期的功耗和性能變得越來越困難。為了制造更高效、產(chǎn)生更少能量的gate和晶體管，芯片制造商花費數(shù)十億美元發(fā)明下一個更好的開發(fā)方法。

MLCommons執(zhí)行董事David Kanter表示:“基于gate的全功能設計將比(現(xiàn)有)設計具有更好的性能和效率，可能會改變許多高性能產(chǎn)品的競爭地位?！?/strong>

用材料包圍晶體管的四個部分，而不是現(xiàn)在的三面設計，可以使gate更好地調(diào)節(jié)電流。在芯片的原子尺度上，更好地控制電流給設計師提供了新的選擇:最重要的是，使它們更小。

更小的晶體管允許設計師將更多的晶體管壓縮到一個芯片上，而增加更多這樣的微小功能大致意味著芯片運算能力的提高。

Feibus說:“有了更好的熱和功率特性，這意味著你可以在其他條件相同的情況下，提高電源的功率，你將擁有更高的時鐘速率，而且你不需要為高性能設計提供奇異的冷卻，這樣就可以降低成本?！?/span>

將新一代gate技術成功應用于大批量生產(chǎn)的制造商，將能夠制造出以目前工藝技術無法實現(xiàn)的計算能力飛躍的芯片。

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三家最大的芯片制造商都在努力研究如何利用這項前景廣闊的技術。這個問題并不是生產(chǎn)一批具有新功能的芯片;它正在生產(chǎn)數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個芯片，其規(guī)模足以滿足最先進技術的需求。

三星(Samsung)或許有優(yōu)勢。該公司高管之一金南·金(Kinam Kim)在近20年前與人合著了一篇有關這種新gate技術的早期技術論文。該公司是最早承諾生產(chǎn)下一代gate的公司之一，并討論了在2017年實現(xiàn)這一技術的路徑。今年4月，三星表示，該公司有望在今年用新處理器大量生產(chǎn)芯片。

然而，我們有理由對其進展持懷疑態(tài)度。Gartner芯片分析師高拉夫古普塔(Gaurav Gupta)表示，此前有大量報道稱，三星在確保其最新的制造工藝能夠生產(chǎn)足夠數(shù)量的工作芯片方面存在問題，并數(shù)次推遲了新gate的計劃發(fā)布日期。三星沒有回復記者的置評請求。

因此，即使蘋果公司在某些芯片上推出了新設計，對于要求可靠性的大客戶來說，這可能不是一個可行的選擇——例如，新iPhone的發(fā)布推遲6個月將對蘋果的業(yè)務造成災難性的影響。

Gupta說:“三星一直在說，他們將是第一個在3納米范圍內(nèi)實現(xiàn)全能的公司?！彼f:“他們一直在推動，接下來六個月，再六個月，再六個月。他們現(xiàn)在說，他們希望在今年年底之前完成?！?/span>

英特爾表示，其目前的計劃是在2024年面向大批量客戶推出這項技術。人們也有理由對英特爾的努力表示懷疑;該公司在過去幾代的生產(chǎn)改進上經(jīng)歷了多年的拖延。它也是最后一個采用EUV光刻技術的公司，該技術被廣泛認為是未來改進的必要技術。英特爾發(fā)言人表示，該公司仍在朝著路線圖目標前進。

但英特爾是第一家成功地用當前這一代gate大批量生產(chǎn)芯片的公司，這表明它擁有再次做到這一點的技術機構知識。在首席執(zhí)行官帕特蓋爾辛格的領導下，公司的發(fā)展方向比在他之前的混亂歲月要清晰得多。盡管如此，英特爾仍有很多事情需要證明，而蓋爾辛格計劃的一部分包括Gupta所稱的“非常激進”的戰(zhàn)略，以重新奪回其制造業(yè)領導地位。

就目前的情況來看，臺積電將是最后一個采用新柵技術的主要制造商。高管們守口如瓶，該公司沒有回應置評請求，但臺積電披露，計劃在2025年的某個時候推出這款產(chǎn)品。熟悉臺積電業(yè)務的人士表示，總體而言，臺積電是一家經(jīng)營保守的企業(yè)，如果可能的話，它傾向于規(guī)避風險，采用一種新的、未經(jīng)驗證的新gate技術是一個很大的風險。

但與競爭對手相比，新市場對臺積電的影響可能要小一些。它的大多數(shù)客戶都購買智能手機芯片，該公司已經(jīng)證明，它可以用英特爾(Intel)和三星(Samsung)難以部署的EUV工具來制造這些芯片。因此，臺積電可能暫時可以使用其他技術，以使其硅材料的性能更佳，直到它能推出新的閘機設計。

Gupta說:“關鍵是，這一切都與動力和性能有關，在代工業(yè)務的先進節(jié)點上，90%以上的客戶都是臺積電的客戶。”他補充稱，如果臺積電使用現(xiàn)有gate技術的制造優(yōu)于三星，那么臺積電就不會失去客戶。

對于芯片設計師來說，堅持使用當前這一代晶體管也有其優(yōu)勢。新的gate要求芯片設計的某些方面被廢棄，行業(yè)分析人士說，制造帶有新gate的芯片的道路很容易超過兩到三年。因此，如果像高通(Qualcomm)、AMD或英偉達(Nvidia)這樣的芯片制造商押注今年能夠推出新一代芯片，而這種情況沒有發(fā)生，它們可能會受到嚴重傷害。